联合多源数据的南极海冰体积反演及其变化研究

The Antarctic sea ice change has great significance to global climate and environment change, which play an important role in understanding the earth's energy and mass balance, the interaction between ocean and atmosphere, and the circulation of thermohaline and ocean water. However, there is still not enough information of Antarctic sea ice thickness and volume on large-scale. Based on multi-source and time-varying data of remote sensing, satellite altimetry, in-situ observing, etc., this project attempt to retrieve geometric and physical properties of sea ice at horizontal and vertical scales, assess the dynamic changes of Antarctic sea ice concentration, area, thickness and volume from multi-perspectives. The aim of the project is to develop the algorithms of retrieving sea ice freeboard, snow depth and ice type based on satellite altimetry and remote sensing technology, so as to reveal the distribution and spatial-temporal variation of Antarctic sea ice thickness and volume more accurately, to provide the basic information for the research of climate change, ocean processes and ecological safety, and the reference for polar exploration, marine resource development and utilization.

南极海冰变化是研究全球气候环境变化和各圈层相互作用的重要线索。监测和分析南极海冰及其变化过程对于研究全球物质与能量平衡、海-冰-气耦合作用、海洋温盐与水循环具有重要的意义。针对目前南极大尺度、长时序海冰厚度与体积信息不足、反演精度有待提高的问题，本研究尝试联合遥感、卫星测高、现场观测等多源时变数据，基于集成技术与优化算法反演水平和垂直方向上海冰的几何与物理属性，从海冰密集度、面积、厚度、体积多层面分析南极海冰的时空变化特征。本课题旨在考虑海冰表面积雪深度和海冰类型等先验知识的基础上，优化和发展基于卫星测高和被动微波遥感等数据反演海冰厚度的方法，进而获得较为可靠的南极大尺度海冰体积及其变化规律，为气候变化、海洋过程、生态安全等相关研究提供基础信息和知识，为极地考察、海上航运和海洋资源开发等实践部门提供参考。

南极海冰变化是全球气候环境变化的重要课题，是研究各圈层相互作用以及海洋过程的重要线索。受地理环境和观测手段的限制，目前人们对南极大尺度海冰变化的认识显得不足。相对于传统海冰厚度观测方法，卫星测高方法使得大范围连续观测成为可能，但由于南极海冰的相对复杂性以及海冰表面积雪信息的不足，南大洋海冰厚度的卫星测高反演精度有待于提高。针对这一问题，项目主要研究了被动微波遥感数据间的交叉定标、南极海冰密集度与海冰范围的反演与变化、南极海冰表面积雪深度的遥感反演与验证、南极海冰表面积雪深度时空变化、海冰厚度卫星测高反演参数的敏感性、南极威德尔海海冰出水高度的估算与时序分析、南极海冰厚度卫星测高反演与时空变化特征。研究结果如下：（1）多源被动微波数据间的交叉定标处理可获取长时序、一致性更好的亮温数据，可为海冰参数的精确反演奠定基础；（2）NT 与BST海冰密集度算法的比较与反演的积雪深度验证表明，基于BST算法反演的积雪深度与实测雪深数据更加接近和准确；（3）南极的平均积雪深度总体呈缓慢下降的趋势，其中，威德尔海中心区域、阿蒙森海与罗斯海等海域表现出正的年增长；（4）最佳的卫星测高出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后，选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度的方案；（5）2013年至2018年南极海冰厚度整体呈现先上升后下降的趋势，南极较厚的海冰集中在威德尔海西南海域，最大值出现在该海域2014年的7月。南极海冰厚度的时空变化研究可为深入研究海冰变化与全球变化的关系提供参考，可为我国南极科学考察安全保障应用提供决策支持。